某长江公路大桥节段模型塔柱—钢横梁结合面接触分析

■魏 磊，李 茜，张闪闪 ■.青岛理工大学，山东 青岛 66033；.交通运输部公路科学研究院，北京 00088

斜拉桥索塔锚固区是斜拉桥中的关键部位，该区域受力状态复杂，是斜拉桥设计、施工的重点和难点［1-2］。索塔锚固区的钢混结合面是索力安全可靠传递至桥塔的基础，是将钢材的高应力通过局部构造过渡到混凝土的设计允许应力范围内，以保证锚固区钢结构与混凝土塔柱共同受力［3］；而钢混结合面有效传力的基础取决于在加载过程中结合面二者是否紧密接触。本文中的索塔锚固区采用的是一种较为新颖的锚固形式，斜拉索分组锚固于钢横梁横隔板之间的锚固构造内，形成索塔体外锚固体系，我们称之为分组集聚式索塔锚固。鉴于该锚固方式较为新颖，在巨大的斜拉索索力作用下，钢横梁与桥塔是否紧密接触有待进一步的分析探究。

1 工程概况

某长江公路大桥主桥为双塔双索面混合梁斜拉桥结构，大桥通航孔桥横向为双六车道，桥面宽36.5m。钢横梁采用箱形结构形式，高7.0m，顺桥向宽5.5m，设置于净距为7.0m的两个塔柱之间。钢横梁通过高强度螺杆及剪力钉与混凝土塔柱牢固连接，选取第6道钢横梁，并截取距钢横梁上、下底边缘10米的上、下端塔柱区域按1：6比例缩尺。

2 结合面接触研究

2.1 研究方法

为保证结构安全，探究钢横梁与混凝土塔柱结合面在1.7倍设计荷载作用下是否始终紧密接触，在塔柱与钢横梁间建立接触单元，模拟混凝土塔柱与钢横梁承压板结合面间的接触关系，通过对节段模型进行有限元分析，主要分析有如下两点：①正应力考虑：考察塔柱-钢横梁结合面不同位置处所受正应力，验证在预应力锚杆作用下塔柱-钢横梁未分离；②剪应力考虑：考察塔柱-钢横梁结合面不同位置处剪应力的分布，验证摩擦力承担外力的可靠性，证实塔柱与钢横梁始终保持紧密接触。

节段模型在1.7倍设计荷载时的荷载名称及大小具体为：索力972kN，边界力 F1、F2分别为 323kN、1471kN，轴力 6533kN，预紧力6425kN。

2.2 有限元模型建立

为掌握钢横梁与混凝土塔柱结合面的接触状态，利用ABAQUS软件进行节段模型钢混结合面的接触分析。模型主要由上、下混凝土塔柱、反力墙、钢横梁四部分构成，如图1所示，在有限元模型中以混凝土塔柱面为主面，钢横梁承压板为从面，主从面之间采用“硬”接触，切向力采用库伦摩擦模型［4］；水平方向为Y轴，竖直方向为Z轴，垂直于YZ平面为X轴。

上、下混凝土塔柱、反力墙均采用实体单元，钢横梁采用壳单元，连接钢横梁与塔柱间的高强度螺杆采用梁单元，十字墙和垫梁与地面完全固接；上塔柱与反力墙固结，下塔柱与反力墙可滑动，计算材料为线弹性材料，材料属性具体为：混凝土C50，弹性模量E=3.45×104MPa，泊松比 υ=0.2；钢板 Q370，E=2.06×105MPa，泊松比 υ=0.3；钢筋 Q370，E=2.06×105MPa，泊松比υ=0.3。

图1 有限元模型

3 接触结果分析

3.1 正应力分析

选取上塔柱与钢横梁承压板的结合面为研究对象，分析塔柱-钢横梁结合面在1.7倍设计荷载时S33方向上的应力。

图2 塔柱-钢横梁结合面应力云图

从图2结合面应力云图可以看出，1.7倍设计荷载时结合面正应力分布不均匀，呈现出一端大，一端小，这是由于塔柱两端边界力F1、F2大小不对等所造成的；同时结合面的混凝土最大压应力为9.985MPa，满足C50混凝土局部抗压的应力要求。另外，塔柱-钢横梁结合面在整个Z方向的应力值均为负值，即结合面处于受压状态，说明钢横梁承压板与混凝土塔柱之间没有缝隙，紧密接触，反之结合面在Z方向上的应力不可能全部为负值。因此说明塔柱和钢横梁在预应力锚杆作用下始终不分离，保证了结合处的安全性。

3.2 剪应力分析

为验证钢横梁-混凝土塔柱始终紧密连接，分析塔柱-钢横梁结合面在1.7倍设计荷载时τyz分布。从图3结合面的S23剪应力云图可以看出，塔柱与钢横梁结合面剪应力沿高度方向呈下降趋势，靠近钢横梁底板侧的剪应力大、顶板侧剪应力小。

当非线性接触产生的摩擦力平衡了结合面的剪力，在很大程度上削弱了结合面剪力的作用效果，降低甚至取消了结合面发生相对滑移的可能性，从而使得结合面始终保持紧密接触，验证了摩擦力承担外力的可靠性。

图3 塔柱-钢横梁结合面剪应力云图

从结合面剪应力云图可以看出，塔柱和钢横梁承压板结合面的最大剪应力大为2.15MPa。根据文献［5］钢-混接触面的摩擦因数μ取值为0.57，钢横梁承压板与塔柱结合面的摩擦合力为4684.8kN，而结合面的总剪力（接触面的平均剪应力按最大剪应力取值）在占该面摩擦力的63.4%，可见摩擦力完全承担了接触面剪力的传递，使得剪力对结合面的作用效果消失，验证了摩擦力承担外力的可靠性，进一步说明1.7倍设计荷载作用下，塔柱-钢横梁结合面始终保持紧密接触，不发生分离。

4 结论

（1）1.7倍设计荷载时结合面混凝土的最大压应力满足C50混凝土局部抗压的应力要求；混凝土塔柱与钢横梁承压板结合面始终处于受压状态，塔柱与钢横梁始终不分离。

（2）1.7倍设计荷载时结合面的总剪力占该面摩擦力的63.4%，说明摩擦力完全承担了结合面剪力的传递，塔柱-钢横梁结合面始终保持紧密接触，不发生分离。

［1］刘钊，孟少平，刘智.润扬大桥北汊斜拉桥索塔节段足尺模型试验研究［J］.土木工程学报，2004，7（6）：35-40.

［2］苏庆田，曾明根，吴冲.上海长江大桥索塔钢锚箱模型试验研究［J］.工程力学，2008，25（10）：126-132.

［3］李斐然.自锚式缆索承重桥梁钢混结合部接触面应力分析［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2012，36（5）：980-983.

［4］陈琦.钢-混凝土混合梁接合面受力分析［J］.福州大学学报（自然科学版），2013，41（4）：796-800.

［5］张煜，阮欣，石雪飞等.斜拉桥钢-混锚板式索梁锚固区摩擦效应分析［J］.中南大学学报，2013，44（7）：2982-2988.